JP6840315B2 - Sheet-shaped air electrode manufacturing method, acid battery and power generation system - Google Patents

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Description

本発明は、酸性電解質を用いた電池(酸電池)の正極に用いるシート状空気電極、酸電池及びそれを比較的大規模で実現する発電システムに関する。
とりわけ、カーボンナノチューブを含む膜状物を表面に有する炭素繊維シートにより構成されるシート状空気電極、酸電池及び発電システムに関する。
The present invention relates to a sheet-shaped air electrode used for a positive electrode of a battery (acid battery) using an acidic electrolyte, an acid battery, and a power generation system for realizing the same on a relatively large scale.
In particular, the present invention relates to a sheet-shaped air electrode composed of a carbon fiber sheet having a film-like material containing carbon nanotubes on its surface, an acid battery, and a power generation system.

電池には、物理電池(光電池、太陽電池)と化学電池がある。化学電池には、自ら発電して放電する一次電池と、外から与えた電力を蓄えて放電する二次電池とがあり、さらに、燃料電池がある。
二次電池は、充電と放電を繰り返すことが可能であるので、繰り返し使用することができる。それに対し、一次電池は、充電できないといわれることが多いが、使用によって減少した物質を機械的に取り替えること(メカニカルチャージ)によって繰り返し使用することができる。
Batteries include physical batteries (optical batteries, solar cells) and chemical batteries. Chemical batteries include primary batteries that generate electricity and discharge by themselves, secondary batteries that store and discharge electric power given from the outside, and fuel cells.
Since the secondary battery can be repeatedly charged and discharged, it can be used repeatedly. On the other hand, primary batteries are often said to be unchargeable, but can be used repeatedly by mechanically replacing substances that have been reduced by use (mechanical culture).

繰り返し使用することが可能な一次電池の例として、マグネシウム又はアルミニウムを負極として用い、酸性電解質を用いるものが提案されている(特許文献1)。
特許文献1には、マグネシウム又はアルミニウムを負極として、導電部材(カーボンシート)を正極として、当該正極に空気を供給し、この負極と正極間に過塩素酸からなる酸性電解質を配設してなり、前記負極の金属が溶滅したら、新しい金属と取り替えるだけで引き続き使用することが可能である酸電池が開示されている。
さらに、この酸電池では、負極と電解質との接触を断つことにより、化学反応を完全に停止させることができる。
特許文献1における正極は、カーボン等の炭素系導電部材と記載されている。
As an example of a primary battery that can be used repeatedly, one using magnesium or aluminum as a negative electrode and an acidic electrolyte has been proposed (Patent Document 1).
In Patent Document 1, magnesium or aluminum is used as a negative electrode, a conductive member (carbon sheet) is used as a positive electrode, air is supplied to the positive electrode, and an acidic electrolyte composed of perchloric acid is disposed between the negative electrode and the positive electrode. , An acid battery that can be continuously used by simply replacing the metal of the negative electrode with a new metal is disclosed.
Further, in this acid battery, the chemical reaction can be completely stopped by breaking the contact between the negative electrode and the electrolyte.
The positive electrode in Patent Document 1 is described as a carbon-based conductive member such as carbon.

一方、炭素は、グラファイト、ダイヤモンド、無定形炭素など、性質が大きく異なる複数の同素体が存在する。1980年代以降次々と新発見されたナノメートルサイズの炭素の同素体は、従来知られていた炭素同素体とは全く異なる原子構造や物性を有することが確かめられ、その工業的利用価値の高さが注目されている。本明細書ではそれらを「ナノ炭素材料」と称し、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、ナノグラフェン、フラーレン、カーボンナノホーン、カーボンマイクロコイル、カーボンブラック、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノクリスタル、活性炭などであって、数nm〜10μm程度のサイズのものを含むものとする。 On the other hand, carbon has a plurality of allotropes having significantly different properties such as graphite, diamond, and amorphous carbon. It has been confirmed that nanometer-sized carbon allotropes, which have been newly discovered since the 1980s, have completely different atomic structures and physical properties from the conventionally known carbon allotropes, and their high industrial utility value is noteworthy. Has been done. In the present specification, they are referred to as "nanocarbon materials", and are carbon nanotubes, carbon nanofibers, nanographenes, fullerene, carbon nanohorns, carbon microcoils, carbon black, diamond-like carbon, carbon nanocrystals, activated carbon, etc. It shall include those having a size of about nm to 10 μm.

ナノ炭素材料は炭素のみから構成されるため、極めて軽量で、高強度で、導電性を有する高分子材料である。その導電性は銅よりも優れ、強度は鋼よりも優れ、耐熱性が高く、多くの薬品に対しても反応せず、大気中で安定である。
ナノ炭素材料の中でも、カーボンナノチューブは、特に優れた電気特性、力学特性、熱特性などを示すものであり、様々な材料への応用が期待され、広く研究開発が行われている。例えば、カーボンナノチューブと樹脂とを混合した複合材とし、あるいはカーボンナノチューブ分散液をバインダーとを混合して乾燥させたものから、様々な用途の材料が得られる。
Since the nanocarbon material is composed only of carbon, it is an extremely lightweight, high-strength, conductive polymer material. Its conductivity is superior to copper, its strength is superior to steel, it has high heat resistance, it does not react with many chemicals, and it is stable in the atmosphere.
Among nanocarbon materials, carbon nanotubes exhibit particularly excellent electrical properties, mechanical properties, thermal properties, etc., and are expected to be applied to various materials, and are widely researched and developed. For example, materials for various purposes can be obtained from a composite material in which carbon nanotubes and a resin are mixed, or a material in which a carbon nanotube dispersion liquid is mixed with a binder and dried.

カーボンナノチューブは、ファンデルワールス力により凝集する性質があり、溶液中ではバンドル構造体を形成するため、そのままでは良好なカーボンナノチューブ複合材料を製造することができず、カーボンナノチューブを溶液中に分散(あるいは可溶化)させる工程が必要となる。カーボンナノチューブが良好に分散された溶液(分散液)を用いることが、カーボンナノチューブ複合材料の特性向上に大きく寄与することから、カーボンナノチューブを溶液中に安定的に分散させる技術に関して多くの提案がなされている。 Since carbon nanotubes have the property of aggregating due to van der Waals force and form a bundle structure in solution, it is not possible to produce a good carbon nanotube composite material as it is, and carbon nanotubes are dispersed in solution ( Alternatively, a step of solubilizing) is required. Since the use of a solution (dispersion solution) in which carbon nanotubes are well dispersed greatly contributes to the improvement of the characteristics of the carbon nanotube composite material, many proposals have been made regarding a technique for stably dispersing carbon nanotubes in the solution. ing.

溶液中のカーボンナノチューブの分散方法としては、有機溶媒(例えば、N−メチルピロリドン;NMP)を用いる方法、酸処理によりカーボンナノチューブを化学修飾する方法、界面活性剤(例えば、ドデシル硫酸ナトリウム;SDS)によりミセル化する方法などがあり、さらに超音波処理やビーズミル処理などが併用されることも多い。 As a method for dispersing carbon nanotubes in a solution, a method using an organic solvent (for example, N-methylpyrrolidone; NMP), a method for chemically modifying carbon nanotubes by acid treatment, a surfactant (for example, sodium dodecyl sulfate; SDS) There is a method of forming micelles, and in many cases, ultrasonic treatment and bead mill treatment are also used in combination.

特許文献2には、アルキルエステル基、ビニリデン基及びアニオン性基を有する界面活性剤、カーボンナノチューブ、水性溶媒を含むカーボンナノチューブ分散液が提案されている(請求項1等)。この分散技術では、界面活性剤のビニリデン基が有する炭素二重結合がカーボンナノチューブと相互作用することによりカーボンナノチューブの分散が促進されるものとされており、従来のドデシル硫酸ナトリウム(SDS)等の分散剤を用いた場合に比べて分散度が高く([0055]〜[0062]等)、さらにはpH変化に対する安定性が高い([0063]〜[0069]等)カーボンナノチューブ分散液が得られるとの結果が報告されている。 Patent Document 2 proposes a carbon nanotube dispersion liquid containing a surfactant having an alkyl ester group, a vinylidene group and an anionic group, carbon nanotubes, and an aqueous solvent (claim 1 and the like). In this dispersion technology, it is said that the carbon double bonds of the vinylidene group of the surfactant interact with the carbon nanotubes to promote the dispersion of the carbon nanotubes, such as conventional sodium dodecyl sulfate (SDS). A carbon nanotube dispersion liquid having a higher degree of dispersion ([0055] to [0062], etc.) and higher stability to pH changes ([0063] to [0069], etc.) than when a dispersant is used can be obtained. The result is reported.

特許文献3には、カーボンナノチューブと活性炭との複合材料を提案している。 Patent Document 3 proposes a composite material of carbon nanotubes and activated carbon.

特許第5385569号公報Japanese Patent No. 5385569 特開2010−13312号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-13312 特開2006−45034号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-45034

NMP等の有機溶媒やSDS等の界面活性剤を用いたカーボンナノチューブ分散液は、時間経過により再びカーボンナノチューブが凝集してしまうという問題点や作製したナノ炭素材料に有機溶媒や界面活性剤が不純物として残留してしまうという問題点が解消されていない。
酸処理によりカーボンナノチューブを化学修飾する方法は、溶媒に親和性を有する官能基を共有結合的にカーボンナノチューブ表面に導入するものであるが、これによりカーボンナノチューブが本来有する性質が失われたり、切断されてしまったりするという問題点が解消されていない。
The carbon nanotube dispersion liquid using an organic solvent such as NMP or a surfactant such as SDS has a problem that the carbon nanotubes agglomerate again with the passage of time, and the organic solvent and the surfactant are impurities in the produced nanocarbon material. The problem of remaining as is not solved.
The method of chemically modifying carbon nanotubes by acid treatment is to introduce a functional group having an affinity for a solvent into the surface of the carbon nanotubes in a covalent bond, but this causes the carbon nanotubes to lose their original properties or to be cleaved. The problem that it has been done has not been solved.

本発明は、カーボンナノチューブのすぐれた特性を生かす上で、分散の課題があること、その課題を乗り越えることができれば、酸電池の正極としてのカーボンシートに有効であると思われることに鑑みてなされたものであり、カーボンナノチューブが本来有する性質を損なうことなく、かつ、時間経過しても良好な分散状態を保つことができるナノ炭素材料の分散方法及びナノ炭素材料の分散液、並びにそれらによって得られるナノ炭素材料複合体を提供し、さらに、その炭素材料複合体を膜状にして、炭素繊維シートの表面を覆うものを酸電池の正極として提案する。
さらに、必要な電力量を、電力の需要に合わせて発電する計画発電を実現可能な発電システムを提案する。
The present invention has been made in view of the fact that there is a problem of dispersion in utilizing the excellent characteristics of carbon nanotubes, and if the problem can be overcome, it is considered to be effective for a carbon sheet as a positive electrode of an acid battery. A method for dispersing nanocarbon materials and a dispersion liquid for nanocarbon materials, which can maintain a good dispersed state over time without impairing the original properties of carbon nanotubes, and obtained by them. We propose a nano-carbon material composite that can be used as a positive electrode for an acid battery by forming the carbon material composite into a film and covering the surface of the carbon fiber sheet.
Furthermore, we propose a power generation system that can realize planned power generation that generates the required amount of power according to the demand for power.

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、
(1)低級アルコールを10重量%以上含む水溶液に対し、0.01〜10%の陰イオン性界面活性剤又は非イオン性界面活性剤を添加した溶媒中に、カーボンナノチューブ、及び当該カーボンナノチューブに対し1〜30重量%の他の種類のナノ炭素材料であるグラフェン、カーボンブラック、活性炭のうち1種類又は2種類以上を含むものを凝集阻止剤として加えて、得た溶液(スラリー)に超音波照射することで、分散処理を行う。
(2)好適な界面活性剤を含む水溶液に上記(1)のスラリーを加え、原材料水溶液(カーボンナノチューブ1重量部に対して、カルボキシメチルセルロースアンモニウム1〜5重量部、炭酸水素アンモニウム1〜5重量部、ポリオールを含む)とし、超音波処理を行うことにより、極めて優れた分散性を有するナノ炭素材料の分散液を得られることを見出した。
さらに、炭素繊維シートの表面に、前記カーボンナノチューブを含有する膜状物を設けて、ファイバー結合した3Dメッシュとし、酸電池の正極とすることに思い至り、本発明を成すに至った。
As a result of diligent research in view of the above-mentioned problems, the present inventor
(1) Carbon nanotubes and carbon nanotubes in a solvent in which 0.01 to 10% of anionic surfactant or nonionic surfactant is added to an aqueous solution containing 10% by weight or more of lower alcohol. On the other hand, 1 to 30% by weight of other types of nanocarbon materials such as graphene, carbon black, and activated carbon containing one or more of them are added as an anti-aggregation agent, and ultrasonic waves are added to the obtained solution (slurry). Dispersion processing is performed by irradiating.
(2) The slurry of the above (1) is added to an aqueous solution containing a suitable surfactant, and the raw material aqueous solution (1 to 5 parts by weight of carboxymethyl cellulose ammonium and 1 to 5 parts by weight of ammonium hydrogen carbonate with respect to 1 part by weight of carbon nanotubes). , A polyol (including a polyol), and it was found that a dispersion liquid of a nanocarbon material having extremely excellent dispersibility can be obtained by performing ultrasonic treatment.
Further, he came up with the idea that a film-like material containing the carbon nanotubes was provided on the surface of the carbon fiber sheet to form a fiber-bonded 3D mesh to serve as a positive electrode of an acid battery, and the present invention was achieved.

本発明に係るシート状空気電極は、カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなる。
これにより、カーボンナノチューブのイオン透過性、導電性、酸素透過性などの特性を生かした空気電極を構成することができる。
The sheet-shaped air electrode according to the present invention is made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface.
This makes it possible to construct an air electrode that takes advantage of the characteristics of carbon nanotubes such as ion permeability, conductivity, and oxygen permeability.

また、配置する場所の空間形状に合わせて、前記炭素繊維シートの面積、寸法、形状、立体的な変形加工が変更可能とすることができる。これにより、電池形状をカスタマイズ可能となり、大きさ、形などを自在に選ぶことができる。 Further, the area, size, shape, and three-dimensional deformation processing of the carbon fiber sheet can be changed according to the spatial shape of the place where the carbon fiber sheet is arranged. This makes it possible to customize the shape of the battery, and the size, shape, etc. can be freely selected.

特に、酸電池の正極として用いられる。これにより、電流密度などの点で有利な酸電池を構成可能となる。 In particular, it is used as a positive electrode for acid batteries. This makes it possible to construct an acid battery which is advantageous in terms of current density and the like.

また、前記酸電池の負極はマグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属からなり、前記正極と前記負極とが近接する空間に酸性電解質が配される。これにより、酸により負極の金属が溶ける(腐食する)ことで電池が構成される。 Further, the negative electrode of the acid battery is made of a metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper, and an acidic electrolyte is arranged in a space where the positive electrode and the negative electrode are close to each other. As a result, the metal of the negative electrode is melted (corroded) by the acid to form a battery.

前記酸性電解質は、溶液であり、前記炭素繊維シートを当該溶液の電解質が透過して前記負極に接触するようにすることができる。これにより電解質及び溶液中の溶存酸素が溶液中を移動して機能することができる。 The acidic electrolyte is a solution, and the electrolyte of the solution can permeate the carbon fiber sheet into contact with the negative electrode. This allows the electrolyte and dissolved oxygen in the solution to move and function in the solution.

前記溶液を循環させる循環装置により、前記電解質及び前記溶液中の溶存酸素が前記炭素繊維シートを透過して循環することができる。これにより、化学反応による生成物を排除するとともに、必要な電解質及び溶存酸素を必要なところに運ぶことが可能となる。 The circulation device for circulating the solution allows the electrolyte and the dissolved oxygen in the solution to permeate and circulate through the carbon fiber sheet. This makes it possible to eliminate products from chemical reactions and to carry the required electrolytes and dissolved oxygen where they are needed.

前記循環装置による循環を、制御可能とし、それにより前記電解質が前記炭素シートを透過して循環することを停止し、又は前記溶液中の溶存酸素の供給を減らすことができる。これにより、化学反応を停止または緩慢にすることが可能となる。 Circulation by the circulation device can be controlled, thereby stopping the electrolyte from circulating through the carbon sheet or reducing the supply of dissolved oxygen in the solution. This makes it possible to stop or slow down the chemical reaction.

前記酸性電解質は、ジェルであり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられるようにすることができる。これにより、液垂れを防止し、置く向きを気にせずに用いることができる。 The acidic electrolyte is a gel and can be provided as a gel sheet impregnated in the sheet. This prevents dripping and allows the product to be used without worrying about the orientation of the liquid.

前記ジェルは、電解質が透過せず抜き差し可能な遮断シートを介して前記負極と接触し、遮断シートを抜いた状態で発電し、遮断シートを差した状態で発電停止することができる。これにより不使用時の無駄な放電を避けることができる。 The gel comes into contact with the negative electrode via a blocking sheet that does not allow electrolytes to permeate and can be inserted and removed, generates electricity with the blocking sheet removed, and can stop power generation with the blocking sheet inserted. This makes it possible to avoid unnecessary discharge when not in use.

前記ジェルシートは、抜き差し可能であり、抜くことにより前記酸性電解質と前記負極との接触を断ち、差すことにより前記電解質と前記負極との接触を実現する。これにより、電池の放電を停止又は緩慢にし、必要あるときに再び電池使用をすることができる。 The gel sheet can be inserted and removed, and by removing the gel sheet, the contact between the acidic electrolyte and the negative electrode is cut off, and by inserting the gel sheet, the contact between the electrolyte and the negative electrode is realized. As a result, the discharge of the battery can be stopped or slowed down, and the battery can be used again when necessary.

前記負極は、交換可能であり、溶滅した際に、新たな負極と交換することができる。これにより、繰り返し使用が可能な一次電池を実現できる。 The negative electrode is replaceable, and when it is dissolved, it can be replaced with a new negative electrode. This makes it possible to realize a primary battery that can be used repeatedly.

本発明に係る酸電池は、カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅を含む金属を負極とし、前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配される。これにより、カーボンナノチューブの特性を生かした酸電池を構成することができる。 The acid battery according to the present invention has a sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like material containing carbon nanotubes on its surface as a positive electrode, and a metal containing magnesium, aluminum, zinc, iron or copper as a negative electrode. An acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode. This makes it possible to construct an acid battery that takes advantage of the characteristics of carbon nanotubes.

前記正極を構成する前記炭素繊維シート配置する場所の空間形状に合わせて、前記炭素繊維シートの面積、寸法、形状を変更可能であり、前記負極を前記正極の面積、寸法、形状の変更に合わせて変形する。これにより、狭い場所や、湾曲形状の場所などでも設置可能な酸電池を提供できる。 The area, size, and shape of the carbon fiber sheet can be changed according to the spatial shape of the place where the carbon fiber sheet constituting the positive electrode is arranged, and the negative electrode can be changed according to the change in the area, size, and shape of the positive electrode. Transforms. This makes it possible to provide an acid battery that can be installed even in a narrow place or a curved place.

前記酸性電解質は、溶液とすることができる。これにより、反応後の生成物を除去すること、電解質及び溶液中の溶存酸素を必要なところに移動することにおいて、有利な電池を構成できる。 The acidic electrolyte can be a solution. This makes it possible to construct a battery that is advantageous in removing the product after the reaction and moving the electrolyte and the dissolved oxygen in the solution to the required place.

前記溶液を循環させる循環装置をさらに有し、前記電解質及び前記溶液中の溶存酸素が循環するようにすることができる。これにより、化学反応を効率的に行える電池を提供できる。 A circulation device for circulating the solution can be further provided so that the electrolyte and the dissolved oxygen in the solution can be circulated. This makes it possible to provide a battery capable of efficiently performing a chemical reaction.

前記循環装置による循環を、制御可能とし、電解質の循環を停止し、又は前記溶液中の溶存酸素の供給を減らすことができる。これにより、化学反応を停止すること、または緩慢にすることが可能となる。 The circulation by the circulation device can be controlled, the circulation of the electrolyte can be stopped, or the supply of dissolved oxygen in the solution can be reduced. This makes it possible to stop or slow down the chemical reaction.

前記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けることができる。これにより、液垂れを防ぐことができる。また、電池を置く向きを限定されない。 The acidic electrolyte is in the form of a gel and can be provided as a gel sheet impregnated in the sheet. This makes it possible to prevent dripping. Moreover, the direction in which the battery is placed is not limited.

前記ジェルシートは、電解質が透過せず抜き差し可能な遮断シートを介して前記負極と接触し、遮断シートを抜いた状態で発電し、遮断シートを差した状態で発電停止することができる。これにより、不使用時の無駄な放電を避けることができる。 The gel sheet comes into contact with the negative electrode via a blocking sheet that does not allow electrolytes to permeate and can be inserted and removed, generates electricity with the blocking sheet removed, and can stop power generation with the blocking sheet inserted. As a result, wasteful discharge when not in use can be avoided.

前記ジェルシートは、抜き差し可能であり、抜くことにより前記電解質と前記負極との接触を断ち、差すことにより前記電解質と前記負極との接触を実現する。これにより、電池を使わないときの無駄な放電を防止することができる。 The gel sheet can be inserted and removed, and by removing the gel sheet, the contact between the electrolyte and the negative electrode is cut off, and by inserting the gel sheet, the contact between the electrolyte and the negative electrode is realized. This makes it possible to prevent unnecessary discharge when the battery is not used.

前記負極は、交換可能であり、溶滅した際に、新たな負極と交換する。これにより、繰り返して使用可能な酸電池を提供することができる。 The negative electrode is replaceable, and when it is dissolved, it is replaced with a new negative electrode. This makes it possible to provide an acid battery that can be used repeatedly.

本発明に係る発電システムは、カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有するシート状空気電極を正極とし、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属を負極とし、前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配されてなる酸電池を複数積層配置し、電気接続してなる。 The power generation system according to the present invention has a sheet-like air electrode having a film-like material containing carbon nanotubes on its surface as a positive electrode, and a metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper. Is used as the negative electrode, and a plurality of acid batteries in which an acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode are arranged in a laminated manner and electrically connected.

前記正極をなす前記空気電極の基材として、炭素繊維シートを用いる。これにより、表面積を大きくすることができ、反応を促進する上で有利である。 A carbon fiber sheet is used as the base material of the air electrode forming the positive electrode. As a result, the surface area can be increased, which is advantageous in promoting the reaction.

前記正極を構成する前記炭素繊維シートは、配置する場所の空間形状に合わせて面積、寸法、形状を変更可能であり、前記負極を前記正極の面積、寸法、形状の変更に合わせて変形するる。これにより、酸電池の形状をカスタマイズ可能となる。 The area, size, and shape of the carbon fiber sheet constituting the positive electrode can be changed according to the spatial shape of the place where the positive electrode is arranged, and the negative electrode is deformed according to the change in the area, size, and shape of the positive electrode. .. This makes it possible to customize the shape of the acid battery.

前記酸性電解質は、溶液とする。これにより、反応性生物の除去、電解質及び溶液中の溶存酸素の移動に有利である。 The acidic electrolyte is a solution. This is advantageous for the removal of reactive organisms and the transfer of dissolved oxygen in the electrolyte and solution.

前記溶液を循環させる循環装置をさらに有し、前記電解質及び前記溶液中の溶存酸素が循環するようにする。これにより、化学反応を促進できる。 A circulation device for circulating the solution is further provided so that the electrolyte and the dissolved oxygen in the solution circulate. Thereby, the chemical reaction can be promoted.

前記循環装置による循環を、制御可能とし、電解質の循環を停止し、又は前記溶液中の溶存酸素の供給を減らすことができる。これにより、化学反応を停止すること、又は緩慢にすることができる。 The circulation by the circulation device can be controlled, the circulation of the electrolyte can be stopped, or the supply of dissolved oxygen in the solution can be reduced. This allows the chemical reaction to be stopped or slowed down.

前記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられる。これにより液垂れを防止し、発電システムの置く向きの制限をなくす。 The acidic electrolyte is in the form of a gel and is provided as a gel sheet impregnated in the sheet. This prevents dripping and removes restrictions on the orientation of the power generation system.

前記ジェルシートは、電解質が透過せず抜き差し可能な遮断シートを介して前記負極と接触し、遮断シートを抜いた状態で発電し、遮断シートを差した状態で発電停止する。これにより、不使用時の無駄な放電を避ける。 The gel sheet comes into contact with the negative electrode via a blocking sheet that does not allow electrolytes to permeate and can be inserted and removed, generates electricity with the blocking sheet removed, and stops power generation with the blocking sheet inserted. This avoids unnecessary discharge when not in use.

前記ジェルシートは、抜き差し可能であり、当該ジェルシートを抜くことにより前記電解質と前記負極との接触を断ち、差すことにより前記電解質と前記負極との接触を実現する。これにより、電気を使わないときの無駄な放電を防止する。 The gel sheet can be inserted and removed, and the contact between the electrolyte and the negative electrode is cut off by removing the gel sheet, and the contact between the electrolyte and the negative electrode is realized by inserting the gel sheet. This prevents unnecessary discharge when electricity is not used.

前記負極と、前記酸性電解質との接触を断つ、又は前記正極と酸素との接触を断つ反応停止装置を有する。これにより、電気を使わないときの無駄な放電を防止し、計画発電を可能にする。 It has a reaction stop device that cuts off the contact between the negative electrode and the acidic electrolyte, or cuts off the contact between the positive electrode and oxygen. This prevents unnecessary discharge when electricity is not used and enables planned power generation.

前記反応停止装置は、当該反応停止状態を解除して、再び発電を開始可能である。これにより、電気の使用、不使用を自在に管理できる。 The reaction stop device can release the reaction stop state and start power generation again. This makes it possible to freely control the use and non-use of electricity.

カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有するシート状空気電極を正極とし、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属を、溶滅の際には新しい物と交換可能に設けて、負極とし、前記正極と前記負極との間に、電気絶縁性を有し、電解質を透過するセパレータを設け、前記正極、前記セパレータ、前記負極を積層配置した積層物に対して、前記正極の側から、発電に必要な量の酸性電解質を滴下又は噴霧して負極に到達させる酸性電解質供給装置とを有する発電システムとすることができる。これにより、たきぎを燃やすのに必要かつ十分な火を準備するように、無駄のない酸性電解質供給をすることができる。 A sheet-like air electrode having a film-like material containing carbon nanotubes on its surface is used as the positive electrode, and a metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is melted. It is provided interchangeably with a new one to serve as a negative electrode, and a separator having electrical insulating property and transmitting an electrolyte is provided between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode, the separator, and the negative electrode are laminated and arranged. A power generation system may be provided with an acidic electrolyte supply device that drops or sprays an amount of acidic electrolyte necessary for power generation from the positive electrode side of the object to reach the negative electrode. This allows a lean acidic electrolyte supply to prepare the necessary and sufficient fire to burn the firewood.

前記酸性電解質供給装置による酸性電解質の供給量を制御する酸性電解質供給制御装置をさらに有し、計画発電を実現する。これにより、停電や、真夏の電力不足に対応することが可能となる。 It further has an acidic electrolyte supply control device that controls the supply amount of the acidic electrolyte by the acidic electrolyte supply device, and realizes planned power generation. This makes it possible to deal with power outages and power shortages in midsummer.

本発明に係るカーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極の製造方法は、カーボンナノチューブと、カルボキシメチルセルロースアンモニウムと炭酸水素アンモニウムとグリセリンとを水に溶解させて原材料水溶液とする原材料水溶液生成ステップと、前記原材料水溶液に超音波ホモジナイザーにより超音波を照射して分散水溶液を得る超音波照射ステップと、炭素繊維シートを前記超音波照射後の前記分散水溶液に含浸させる含浸ステップと、含浸後の炭素繊維シートを乾燥させる乾燥ステップとを有する。これにより、カーボンナノチューブ本来の性質を引き出すことが可能となる。 The method for producing a sheet-shaped air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface according to the present invention is to dissolve carbon nanotubes, carboxymethyl cellulose ammonium, ammonium hydrogen carbonate and glycerin in water. The raw material aqueous solution generation step of making the raw material aqueous solution, the ultrasonic irradiation step of irradiating the raw material aqueous solution with ultrasonic waves with an ultrasonic homogenizer to obtain a dispersed aqueous solution, and impregnating the carbon fiber sheet with the dispersed aqueous solution after the ultrasonic irradiation. It has an impregnation step for allowing the carbon fiber sheet to be impregnated and a drying step for drying the carbon fiber sheet after impregnation. This makes it possible to bring out the original properties of carbon nanotubes.

前記含浸ステップと乾燥ステップとを繰り返し(たとえば3度)行う。これにより、炭素繊維シートの表面にカーボンナノチューブの被覆(膜状物)を有効に設けることができる。 The impregnation step and the drying step are repeated (for example, 3 times). Thereby, the coating (film-like material) of carbon nanotubes can be effectively provided on the surface of the carbon fiber sheet.

以上、説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブが本来有する性質を生かした、電極、電池、発電システムを構成することが可能になる。 As described above, according to the present invention, it is possible to configure an electrode, a battery, and a power generation system that make use of the inherent properties of carbon nanotubes.

空気電極の基材となる炭素繊維シートの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the carbon fiber sheet which becomes the base material of an air electrode. シート状空気電極(正極)がセパレータシートを介して負極と重なって、積層される様子を示す図であるIt is a figure which shows the state that the sheet-shaped air electrode (positive electrode) overlaps with the negative electrode through a separator sheet, and is laminated. パイプに巻き付けて配置する酸電池を形成する場合の変形加工を示す図である。It is a figure which shows the deformation processing at the time of forming an acid battery which is wound around a pipe and arranged. 電解質を循環させ、発電の開始、停止、再開を制御するシステムを示す図である。It is a figure which shows the system which circulates an electrolyte and controls the start, stop, and restart of power generation. ジェルシートを用いる場合に遮断シートを用いて、発電の開始、停止、再開を制御することを示す図である。It is a figure which shows that the start, stop, and restart of power generation are controlled by using a cutoff sheet when a gel sheet is used. ジェルシートを用いる場合に、ジェルシート自体を抜き差しすることで、発電の開始、停止、再開を制御することを示す図である。It is a figure which shows that when the gel sheet is used, the start, stop, and resumption of power generation are controlled by inserting and removing the gel sheet itself. 酸性電解質を正極側から滴下又は噴霧する場合の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in the case of dropping or spraying an acidic electrolyte from a positive electrode side.

以下、添付図面を参照しながら、本発明のナノ炭素材料の分散方法、ナノ炭素材料の分散液、ナノ炭素材料複合体を実現し、空気電極、酸電池、発電システムを実現するための最良の形態を詳細に説明する。
説明の順序を、そのタイトルを挙げて、目次とする。
≪カーボンナノチューブの分散、塗布、含浸、乾燥によるシート状空気電極の製造方法≫
≪シート状空気電極及びその変形加工≫
≪酸電池の正極及び正極活物質≫
≪酸電池の負極及び負極活物質≫
≪酸性電解質≫
≪酸性電解質溶液を循環させ、それを制御する≫
≪ジェル状の電解質及び発電停止、発電再開≫
≪積層によるスケーラビリティ≫
≪酸性電解質溶液を滴下又は噴霧することによる計画発電≫
Hereinafter, referring to the attached drawings, the best method for realizing the nanocarbon material dispersion method, the nanocarbon material dispersion liquid, and the nanocarbon material composite of the present invention, and realizing an air electrode, an acid battery, and a power generation system. The form will be described in detail.
The order of explanation is the table of contents, with the titles listed.
≪Manufacturing method of sheet-shaped air electrode by dispersion, coating, impregnation and drying of carbon nanotubes≫
≪Sheet-shaped air electrode and its deformation processing≫
≪Positive electrode and positive electrode active material of acid battery≫
≪Negative electrode and negative electrode active material of acid battery≫
≪Acid electrolyte≫
≪Circulate acidic electrolyte solution and control it≫
≪Gel-like electrolyte and power generation stop, power generation restart≫
≪Scalability by stacking≫
≪Planned power generation by dropping or spraying acidic electrolyte solution≫

≪カーボンナノチューブの分散、塗布、含浸、乾燥によるシート状空気電極の製造方法≫
本発明のナノ炭素材料の分散方法、ナノ炭素材料の分散液及びナノ炭素材料複合体の実施例として、ナノ炭素材料分散液及びナノ炭素材料複合体の具体的な製造方法とそれらが示す物性の試験結果について説明する。
≪Manufacturing method of sheet-shaped air electrode by dispersion, coating, impregnation and drying of carbon nanotubes≫
As an example of the nanocarbon material dispersion method, the nanocarbon material dispersion liquid and the nanocarbon material composite of the present invention, specific production methods of the nanocarbon material dispersion liquid and the nanocarbon material composite and the physical properties indicated by them. The test results will be described.

<分散液1、CNT被覆炭素繊維1の調整>
原材料水溶液の調製
カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ(Nanocyl社製、NC7000(平均直径9.5nm、平均長さ1.5μm、比表面積250〜300m2/g、炭素純度90%))を用いた。
カルボキシメチルセルロースアンモニウムは、株式会社ファインクレイ製の製品名「CMCA25」(カルボキシメチルセルロースアンモニウム25%水和物)を用いた。
炭酸水素アンモニウムは、宇部興産株式会社製品(製品コード:IO−B14−0016)、純度95.0%以上)を用いた。
300mlの水に、カーボンナノチューブ2g、カルボキシメチルセルロースアンモニウム10g、炭酸水素アンモニウム10g、ポリオール(グリセリン)2gを溶解して原材料水溶液を得た。
ポリオール(多価アルコール)は、2個以上のヒドロキシ基−OHをもった脂肪族化合物であり、エチレングリコール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトールなどであり、これらのうちのいずれでもよい。ここでは、グリセリンを用いた。
<Adjustment of dispersion liquid 1 and CNT-coated carbon fiber 1>
Preparation of Aqueous Solution of Raw Materials As carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes (NC7000 (average diameter 9.5 nm, average length 1.5 μm, specific surface area 250 to 300 m 2 / g, carbon purity 90%) manufactured by Nanocil) were used.
As the carboxymethyl cellulose ammonium, the product name "CMCA25" (25% hydrate of carboxymethyl cellulose ammonium) manufactured by Fine Clay Co., Ltd. was used.
As ammonium hydrogencarbonate, a product of Ube Industries, Ltd. (product code: IO-B14-0016), purity 95.0% or more) was used.
An aqueous solution of raw materials was obtained by dissolving 2 g of carbon nanotubes, 10 g of ammonium carboxymethyl cellulose, 10 g of ammonium hydrogen carbonate, and 2 g of polyol (glycerin) in 300 ml of water.
A polyol (polyhydric alcohol) is an aliphatic compound having two or more hydroxy groups-OH, and is composed of ethylene glycol, propylene glycol, tetramethylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, polyethylene glycol, glycerin, pentaerythritol and the like. Yes, any of these may be used. Here, glycerin was used.

分散処理
この原材料水溶液に、超音波ホモジナイザー(三井電気精機株式会社製、型式:UX−600、発振周波数20±1KHz、最大出力600W)により20分間超音波を照射して、カーボンナノチューブの分散水溶液を得た。
Dispersion treatment This raw material aqueous solution is irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes with an ultrasonic homogenizer (manufactured by Mitsui Denki Seiki Co., Ltd., model: UX-600, oscillation frequency 20 ± 1 KHz, maximum output 600 W) to obtain a dispersed aqueous solution of carbon nanotubes. Obtained.

炭素繊維への塗布・含浸及び乾燥処理
炭素繊維は、東レ株式会社の製品を用いた。
この炭素繊維を分散水溶液に含浸した後、140℃で30分間焼付け処理を行い、分散水溶液の水分及びアンモニア成分を蒸発させて炭素繊維の表面を乾燥させた。この含浸及び焼付け処理を3回繰り返した。
以上の手順により、カーボンナノチューブを含有する薄膜を被覆された炭素繊維を得た。
Coating / impregnation and drying treatment on carbon fiber As the carbon fiber, a product of Toray Industries, Inc. was used.
After impregnating the dispersed aqueous solution with the carbon fibers, a baking treatment was performed at 140 ° C. for 30 minutes to evaporate the water content and the ammonia component of the dispersed aqueous solution to dry the surface of the carbon fibers. This impregnation and baking treatment was repeated 3 times.
By the above procedure, a carbon fiber coated with a thin film containing carbon nanotubes was obtained.

電極としての比較例
以上の分散液1に対する比較例として、カーボンナノチューブの分散水溶液を塗布・含浸されていない炭素繊維(CNT被覆炭素繊維1に用いたのと同じ製品)を用いて評価実験を行った。
Comparative example as an electrode As a comparative example with respect to the above dispersion liquid 1, an evaluation experiment was conducted using carbon fibers (the same product used for CNT-coated carbon fibers 1) that were not coated or impregnated with a dispersed aqueous solution of carbon nanotubes. It was.

空気マグネシウム電池の電極として用いる。
実施例1と比較例の炭素繊維について、空気マグネシウム電池の空気極(正極)として用いて、幅2センチメートル、長さ5センチメートルのマグネシウム板を負極として用い、それと同等の大きさの炭素繊維を正極とし、塩化第二鉄を電解液として、炭素繊維に垂らす。そのときに開放電圧2ボルトで、どれだけのイニシャル電流が流れるかをテスターにより測定した。
マグネシウムは、権田金属工業株式会社の製品の「難燃性マグネシウム」を用いた。テスターは、共立電気計器社のAC/DCクランプ付デジタルマルチメーターを用いた。
比較例では、66.4ミリアンペアのイニシャル電流を得られた。CNT被覆炭素繊維1では、538.3ミリアンペアのイニシャル電流を得ることができた。
Used as an electrode for air magnesium batteries.
Regarding the carbon fibers of Example 1 and Comparative Example, carbon fibers of the same size were used as the air electrode (positive electrode) of the air magnesium battery, and a magnesium plate having a width of 2 cm and a length of 5 cm was used as the negative electrode. Is used as a positive electrode, and ferric chloride is used as an electrolytic solution and is dropped on carbon fibers. At that time, a tester was used to measure how much initial current flows at an open circuit voltage of 2 volts.
As magnesium, "flame-retardant magnesium" manufactured by Gonda Metal Industry Co., Ltd. was used. The tester used was a digital multimeter with an AC / DC clamp manufactured by Kyoritsu Electric Instruments Co., Ltd.
In the comparative example, an initial current of 66.4 mA was obtained. With the CNT-coated carbon fiber 1, an initial current of 538.3 mA could be obtained.

このように、CNT被覆炭素繊維1は、比較例の炭素繊維に比べて、電流値が顕著に大きく、8倍以上の電流密度を達成できたことが明らかとなった。 As described above, it was clarified that the CNT-coated carbon fiber 1 had a remarkably large current value as compared with the carbon fiber of the comparative example, and was able to achieve a current density of 8 times or more.

分散についての比較例
上記分散液1に対する比較例として、下記4通りの方法でカーボンナノチューブ分散液を作製した。
(A)多層カーボンナノチューブ(上記同様)0.1gを水20mlに添加し、上記同様の超音波処理を行って得たカーボンナノチューブ分散液
(B)多層カーボンナノチューブ(上記同様)0.1gとカーボンブラック粉末(上記同様)0.05gとを混合した粉体を、エタノール16mlと水4mlとからなる溶媒に添加し、上記同様の超音波処理を行って得たカーボンナノチューブ分散液
(C)多層カーボンナノチューブ(上記同様)0.1gとグラファイト・ナノプレートレット(上記同様)0.05gとを混合した粉体を、エタノール16mlと水4mlとからなる溶媒に添加し、上記同様の超音波処理を行って得たカーボンナノチューブ分散液
(D)多層カーボンナノチューブ(上記同様)0.1gとカーボンブラック粉末(上記同様)0.05gとグラファイト・ナノプレートレット(上記同様)0.05gとを混合した粉体を、エタノール16mlと水4mlとからなる溶媒に添加し、上記同様の超音波処理を行って得たカーボンナノチューブ分散液
Comparative Example of Dispersion As a comparative example with respect to the dispersion liquid 1, a carbon nanotube dispersion liquid was prepared by the following four methods.
(A) Carbon nanotube dispersion liquid obtained by adding 0.1 g of multi-walled carbon nanotubes (same as above) to 20 ml of water and performing the same ultrasonic treatment as above (B) 0.1 g of multi-walled carbon nanotubes (same as above) and carbon Carbon nanotube dispersion liquid (C) multilayer carbon obtained by adding 0.05 g of black powder (similar to the above) to a solvent consisting of 16 ml of ethanol and 4 ml of water and performing the same ultrasonic treatment as described above. A powder obtained by mixing 0.1 g of nanotubes (same as above) and 0.05 g of graphite nanoplatelets (same as above) was added to a solvent consisting of 16 ml of ethanol and 4 ml of water, and the same ultrasonic treatment as above was performed. A powder obtained by mixing 0.1 g of carbon nanotube dispersion liquid (D) multi-walled carbon nanotubes (same as above), 0.05 g of carbon black powder (same as above), and 0.05 g of graphite nanoplatelets (same as above). Was added to a solvent consisting of 16 ml of ethanol and 4 ml of water, and the same ultrasonic treatment as described above was carried out to obtain a carbon nanotube dispersion liquid.

分散性の試験結果
上記の比較例によるカーボンナノチューブ分散液(A)〜(D)と、本発明の分散液1よるカーボンナノチューブ分散液(E)とをほぼ同時に作製し、保存容器に密封保存して常温下で静置し、5日間の経過を観察した。
超音波処理直後の時点では、分散液(B)〜(E)は程よく分散されているが、特に分散液(E)の分散性が優れていることが確認される。
超音波処理直後24時間経過した時点では、分散液(B)〜(D)の分散性が失われ、カーボンナノチューブの沈殿が見られる。一方、分散液(E)の分散性は保たれている。
超音波処理直後5日間経過した時点においても、分散液(E)は超音波処理直後と同等の分散性が保たれている。
Dispersibility Test Results The carbon nanotube dispersions (A) to (D) according to the above comparative example and the carbon nanotube dispersions (E) according to the dispersion 1 of the present invention were prepared almost at the same time and sealed and stored in a storage container. It was allowed to stand at room temperature and the progress of 5 days was observed.
Immediately after the ultrasonic treatment, the dispersions (B) to (E) are moderately dispersed, but it is confirmed that the dispersion (E) is particularly excellent in dispersibility.
When 24 hours have passed immediately after the ultrasonic treatment, the dispersibility of the dispersion liquids (B) to (D) is lost, and precipitation of carbon nanotubes is observed. On the other hand, the dispersibility of the dispersion liquid (E) is maintained.
Even after 5 days have passed immediately after the ultrasonic treatment, the dispersion liquid (E) maintains the same dispersibility as immediately after the ultrasonic treatment.

ナノ炭素材料複合体の作製
上記分散液1から乾燥処理して得られた粉体をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のバインダーと混合し、熱プレス処理(200℃、10トン)して成形体を得た。この成形体は、電気抵抗率が0.3〜0.7Ω・cmと顕著に優れた電気特性を示すものであった。
Preparation of nano-carbon material composite The powder obtained by drying treatment from the above dispersion 1 is mixed with a binder such as PTFE (polytetrafluoroethylene) and heat-pressed (200 ° C., 10 tons) to form a molded product. Got This molded product exhibited remarkably excellent electrical characteristics with an electrical resistivity of 0.3 to 0.7 Ω · cm.

この成形体の表面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S−3000H)で撮影した。倍率15000倍、倍率6000倍で撮影したところ、成形体中でカーボンナノチューブが凝集せず分散しており、所々に空孔が形成された構造となっていることが分かった。 The surface of this molded product was photographed with a scanning electron microscope (S-3000H, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). When the image was taken at a magnification of 15,000 times and a magnification of 6000 times, it was found that the carbon nanotubes were dispersed in the molded product without agglomeration, and the structure had pores formed in some places.

以上、ナノ炭素材料の分散方法、ナノ炭素材料の分散液及びナノ炭素材料複合体について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、原材料、試薬、処理条件、処理手順、測定条件、測定方法について様々な変更・改良を加えることが可能である。
たとえば、溶媒を、エタノール16ml、水4mlにドデシル硫酸ナトリウム(0.05g)を溶解して溶媒としたが、エタノール15ml、水5ml、ドデシル硫酸ナトリウム0.04〜0.06gとしてもよい。
また、超音波照射時間を20分としたが、15分〜30分としてもよい。
乾燥処理については、140℃で30分間の焼付処理を3回繰り返したが、120℃〜150℃で、20〜40分間の焼付処理を2〜4回繰り返すこととしてもよい。
Although the method for dispersing the nanocarbon material, the dispersion liquid for the nanocarbon material, and the nanocarbon material composite have been described above by showing specific embodiments, the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art can make various changes and improvements to raw materials, reagents, treatment conditions, treatment procedures, measurement conditions, and measurement methods within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
For example, the solvent was prepared by dissolving sodium dodecyl sulfate (0.05 g) in 16 ml of ethanol and 4 ml of water, but 15 ml of ethanol, 5 ml of water and 0.04 to 0.06 g of sodium dodecyl sulfate may be used.
Further, although the ultrasonic irradiation time is set to 20 minutes, it may be set to 15 minutes to 30 minutes.
Regarding the drying treatment, the baking treatment at 140 ° C. for 30 minutes was repeated three times, but the baking treatment at 120 ° C. to 150 ° C. for 20 to 40 minutes may be repeated 2 to 4 times.

≪シート状空気電極及びその変形加工≫
図1は、空気電極の基材となる炭素繊維シートの例を示す図である。図1(a)は、炭素繊維シートの一例について、斜視図で示したものであり、図1(b)は、炭素繊維シートの他の例について平面図を示したものである。
炭素繊維シートは、ポリアクリロニトリル繊維、ピッチ繊維、レーヨンなどの有機繊維を不活性雰囲気中で加熱して炭素以外の元素を脱離させることで製造される。90%以上が炭素成分の繊維である。
本発明で上に述べたCNT被覆炭素繊維1では、東レ株式会社の製品を用いている。東レ株式会社の製品では、図1に示すものに比べて、さらに密に縦糸と横糸を整然と織り上げて、布状にしたものとなっている。
図1(a)で挙げた例のように、何本かをスキップして、織っているものでもよい。また、図1(b)で挙げた例のように、ゆるい織り方をしたものでもよい。
さらに、織物としていないもの、たとえば、不織布であってもかまわない。
≪Sheet-shaped air electrode and its deformation processing≫
FIG. 1 is a diagram showing an example of a carbon fiber sheet used as a base material for an air electrode. FIG. 1A is a perspective view of an example of a carbon fiber sheet, and FIG. 1B is a plan view of another example of a carbon fiber sheet.
The carbon fiber sheet is produced by heating organic fibers such as polyacrylonitrile fibers, pitch fibers, and rayon in an inert atmosphere to desorb elements other than carbon. 90% or more are carbon component fibers.
In the CNT-coated carbon fiber 1 described above in the present invention, a product of Toray Industries, Inc. is used. Compared to the product shown in FIG. 1, the product of Toray Industries, Inc. is made into a cloth by weaving the warp and weft more densely.
As in the example given in FIG. 1 (a), some of them may be skipped and woven. Further, as in the example given in FIG. 1 (b), a loose weave may be used.
Further, it may be a non-woven fabric, for example, a non-woven fabric.

上述の分散液の調整をしたものに、超音波照射した後、図1に示すような炭素繊維シートを、その液に含浸し、焼付処理(乾燥)して、上述のCNT被覆炭素繊維を構成する。そして、これが、シート状空気電極11となる。シート状空気電極11のすくなくとも表面には、CNT(カーボンナノチューブ)が、凝集阻止剤により、凝集が阻止された状態で、安定して分散された状態で、被覆膜を形成していると考えられる。
図2は、シート状空気電極(正極)11がセパレータシート12を介して負極14と重なって、積層される様子を示す図である。セパレータシート12は、たとえば不織布のような絶縁物からなり、正極と負極とが電気的にショートしないように設けられる。セパレータシート12を介して、負極に電解質を供給する必要があるので、セパレータシート12は、電解質を透過するものである。電池としての性能を高めるためには、正極と負極とは、できるだけ近づけることが望ましい。そのためには、セパレータシート12は、薄いものであることが望ましい。
After ultrasonically irradiating the prepared dispersion liquid, a carbon fiber sheet as shown in FIG. 1 is impregnated in the liquid and baked (dried) to form the above-mentioned CNT-coated carbon fiber. To do. Then, this becomes the sheet-shaped air electrode 11. It is considered that CNTs (carbon nanotubes) form a coating film on at least the surface of the sheet-shaped air electrode 11 in a state of being stably dispersed in a state where agglutination is blocked by an agglutination inhibitor. Be done.
FIG. 2 is a diagram showing a state in which a sheet-shaped air electrode (positive electrode) 11 overlaps and is laminated with a negative electrode 14 via a separator sheet 12. The separator sheet 12 is made of an insulator such as a non-woven fabric, and is provided so that the positive electrode and the negative electrode are not electrically short-circuited. Since it is necessary to supply the electrolyte to the negative electrode via the separator sheet 12, the separator sheet 12 is permeable to the electrolyte. In order to improve the performance as a battery, it is desirable that the positive electrode and the negative electrode are as close as possible. For that purpose, it is desirable that the separator sheet 12 is thin.

シート状空気電極(正極)11の基材は、炭素繊維シートであるので、その面積、寸法、形状の自由度が高い。また、セパレータシート12もまた、不織布などで構成されるので、面積、寸法、形状の自由度が高い。一方、重ね合せる負極14は、後述するように、金属であるので、炭素繊維シートや、不織布ほどではないが、折り曲げ加工や、変形がある程度可能である。したがって、負極の加工ができる範囲内で、正極11、セパレータシート12、正極14を重ね合せた全体の面積、寸法、形状の自由度が決まる。
その自由度の範囲内で、変形加工が可能であるという特徴をこのシート状空気電極は有している。図3は、パイプに巻き付けて配置する酸電池を形成する場合の変形加工を示す図である。図3(a)は、パイプ15に巻き付けて、同心円状(同軸円筒状)に内側から、シート状空気電極11、セパレータシート12、負極14と設けた例であり、図3(b)は、外側から、シート状空気電極11、セパレータシート12、負極14と設けた例である。負極14が溶滅したのちに、負極を新しいものと取り替える便宜のためには、負極14が外側となることが望ましい。シート状空気電極に空気(酸素)を供給する便宜のためには、正極であるシート状空気電極14を外側にするのが望ましい。この酸電池が置かれる環境の風通しのよさなどを配慮して、どちらを外側にするかが設計されることとなる。
シート状空気電極11、セパレータシート12、負極14の形状は、円筒状としてもよいし、C字型の形状としてもよい。
パイプ15を包み込む形状の酸電池を構成するのは、一例であって、酸電池を配置したい場所の空間形状の都合に合わせて、さまざまな形の酸電池をカスタマイズすることが可能である。たとえば、自動車の内部に電池を設けるにあたって、ボディー内のわずかのスペースに合うように電池を設計することができる。ウェアラブルコンピュータの電源として、人の身体に沿ってフィットする形の電池を設計することも可能となる。さらにいえば、救命胴衣などの衣服に合わせた電池設計も可能である。
Since the base material of the sheet-shaped air electrode (positive electrode) 11 is a carbon fiber sheet, the degree of freedom in the area, size, and shape is high. Further, since the separator sheet 12 is also made of a non-woven fabric or the like, the degree of freedom in area, size, and shape is high. On the other hand, since the negative electrode 14 to be overlapped is a metal, as will be described later, it can be bent or deformed to some extent, though not as much as a carbon fiber sheet or a non-woven fabric. Therefore, the degree of freedom in the total area, size, and shape of the positive electrode 11, the separator sheet 12, and the positive electrode 14 overlaid is determined within the range in which the negative electrode can be processed.
This sheet-shaped air electrode has a feature that it can be deformed within the range of the degree of freedom. FIG. 3 is a diagram showing a deformation process in the case of forming an acid battery to be wound around a pipe and arranged. FIG. 3A shows an example in which a sheet-shaped air electrode 11, a separator sheet 12, and a negative electrode 14 are provided concentrically (coaxially cylindrically) from the inside by winding around a pipe 15, and FIG. 3B shows an example. This is an example in which the sheet-shaped air electrode 11, the separator sheet 12, and the negative electrode 14 are provided from the outside. It is desirable that the negative electrode 14 be on the outside for the convenience of replacing the negative electrode with a new one after the negative electrode 14 has melted. For the convenience of supplying air (oxygen) to the sheet-shaped air electrode, it is desirable that the sheet-shaped air electrode 14, which is the positive electrode, is on the outside. Considering the ventilation of the environment in which the acid battery is placed, it will be designed which side should be on the outside.
The shape of the sheet-shaped air electrode 11, the separator sheet 12, and the negative electrode 14 may be cylindrical or C-shaped.
The configuration of the acid battery having a shape that encloses the pipe 15 is an example, and various shapes of the acid battery can be customized according to the convenience of the space shape of the place where the acid battery is desired to be arranged. For example, when installing a battery inside an automobile, the battery can be designed to fit in a small space inside the body. It is also possible to design a battery that fits the human body as a power source for a wearable computer. Furthermore, it is possible to design a battery that matches clothing such as a life jacket.

≪酸電池の正極及び正極活物質≫
本発明に係る酸電池の正極として機能するのが、シート状空気電極11である。そして、正極活物質は、酸素である。さらに言えば、シート状空気電極11が大気に触れている状態では、大気中の酸素が活物質であり、シート状空気電極11が溶液(電解質溶液)中に浸っている状態では、当該溶液中の溶存酸素である。
酸電池は、酸により負極の金属を溶かす際に発電するという現象であるが、見方を変えれば、金属が燃える(腐食する、酸化する)という現象でもあり、正極から正極活物質である酸素を取り込んで金属酸化物を生成する際に発電する現象であるとみることもできる。
正極における反応は、
2H+O2+2e-→2OH-
または
4H+O2+4e-→2H2
と表せる。
≪Positive electrode and positive electrode active material of acid battery≫
The sheet-shaped air electrode 11 functions as the positive electrode of the acid battery according to the present invention. And the positive electrode active material is oxygen. Furthermore, when the sheet-shaped air electrode 11 is in contact with the atmosphere, oxygen in the atmosphere is the active material, and when the sheet-shaped air electrode 11 is immersed in the solution (electrolyte solution), it is in the solution. It is the dissolved oxygen of.
Acid batteries are a phenomenon in which electricity is generated when the metal in the negative electrode is melted by acid, but from a different point of view, it is also a phenomenon in which the metal burns (corrodes, oxidizes), and oxygen, which is the positive electrode active material, is transferred from the positive electrode. It can also be seen as a phenomenon in which power is generated when the metal oxide is taken in and generated.
The reaction at the positive electrode is
2H + O 2 + 2e - → 2OH -
Or 4H + O 2 + 4e - → 2H 2 O
Can be expressed as.

≪酸電池の負極及び負極活物質≫
負極は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄又は銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属からなる。純粋なマグネシウムは、燃えやすい(酸化しやすい)ので、激しい化学反応を起こしてしまい、扱いに不便である。したがって、難燃性マグネシウムが用いられる。権田金属工業株式会社が提供する「難燃性マグネシウム」を用いることができる。マグネシウムを主体として、カルシウム、アルミニウム、マンガン、珪素、亜鉛、銅、鉄などを含む合金として難燃性を実現したものである。負極として難燃性マグネシウムを用いる場合には、負極活物質は、主にマグネシウムであると考えられる。
負極における反応は、
2HCl+Mg→MgCl2+H2+2e-
である。ここで、MgCl2は、水に溶けるので、流れていく。
≪Negative electrode and negative electrode active material of acid battery≫
The negative electrode is made of a metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper. Pure magnesium is inconvenient to handle because it is flammable (easily oxidized) and causes a violent chemical reaction. Therefore, flame-retardant magnesium is used. "Flame-retardant magnesium" provided by Gonda Metal Industry Co., Ltd. can be used. It is an alloy containing magnesium as the main component, calcium, aluminum, manganese, silicon, zinc, copper, iron, etc., and has achieved flame retardancy. When flame-retardant magnesium is used as the negative electrode, the negative electrode active material is considered to be mainly magnesium.
The reaction at the negative electrode is
2HCl + Mg → MgCl 2 + H 2 + 2e -
Is. Here, MgCl 2 is soluble in water, so it flows.

≪酸性電解質≫
酸性電解質は、塩酸、硫酸などの酸の水溶液でもよいが、塩の水溶液で酸性となるものであってもよい。マグネシウムが負極活物質である場合に、塩化第二鉄水溶液を用いることができる。
酸性電解質を、負極に接触させることで、金属の腐食(酸化、エッチング)が生じて、発電がなされる。電解質を負極に接触させる方法は、大別すると、3つが考えられる。第一に、シート状空気電極11、セパレータシート12、負極14を重ね合せたもの全体を電解質溶液に浸すことである。第二に、電解質溶液をジェル状にしたものをシートに含浸させて接触させることである。第三に、電解質溶液を、正極側(シート状空気電極側)から、滴下又は噴霧することである。
以下、これらの三つの場合のそれぞれについて、発電の開始、停止、再開をどのように制御するかを中心に説明する。
≪Acid electrolyte≫
The acidic electrolyte may be an aqueous solution of an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or may be an aqueous solution of a salt to be acidic. When magnesium is the negative electrode active material, an aqueous ferric chloride solution can be used.
By bringing the acidic electrolyte into contact with the negative electrode, metal corrosion (oxidation, etching) occurs and power generation is performed. There are roughly three possible methods for bringing the electrolyte into contact with the negative electrode. The first is to immerse the entire stack of the sheet-shaped air electrode 11, the separator sheet 12, and the negative electrode 14 in the electrolyte solution. The second is to impregnate the sheet with a gelled electrolyte solution and bring it into contact with the sheet. Third, the electrolyte solution is dropped or sprayed from the positive electrode side (sheet-shaped air electrode side).
Hereinafter, each of these three cases will be described with a focus on how to control the start, stop, and restart of power generation.

≪酸性電解質溶液を循環させ、それを制御する≫
セパレータシート12が電解質を透過する。さらに、シート状空気電極11を構成する炭素繊維シート、カーボンナノチューブ、CMCA(カルボキシメチルセルロースアンモニウム)などは、電解質透過性を有する。したがって、酸性電解質をシート状空気電極11を介して、負極に到達せしめることが可能である。
このとき、電解質溶液が停滞しないように、ポンプなどで強制的に水流を作って循環させることが望ましい。第一に、生成した酸化物が化学反応を阻害しないように排除するためである。第二に、正極、セパレータ、負極という組合せを複数セット、積層する場合には、シート状空気電極の周辺部でのみ電解質や、酸化物の出入がなされることになるので、淀みなく流れることが有利だからである。第三に、正極活物質である溶存酸素が適切に動く必要があるためでもある。
≪Circulate acidic electrolyte solution and control it≫
The separator sheet 12 allows the electrolyte to permeate. Further, the carbon fiber sheet, carbon nanotubes, CMCA (carboxymethyl cellulose ammonium) and the like constituting the sheet-shaped air electrode 11 have electrolyte permeability. Therefore, the acidic electrolyte can reach the negative electrode via the sheet-shaped air electrode 11.
At this time, it is desirable to forcibly create a water flow with a pump or the like to circulate the electrolyte solution so that the electrolyte solution does not stagnate. First, it is to eliminate the produced oxide so as not to inhibit the chemical reaction. Secondly, when a plurality of sets of positive electrode, separator, and negative electrode are laminated, electrolytes and oxides flow in and out only in the peripheral portion of the sheet-shaped air electrode, so that the flow can flow without stagnation. Because it is advantageous. Thirdly, it is also because the dissolved oxygen, which is the positive electrode active material, needs to move appropriately.

図4は、電解質を循環させ、発電の開始、停止、再開を制御するシステムを示す図である。図4(a)に示す構成では、酸電池(発電システム)30は、正極、セパレータシート、負極の組合せを5セット有するものである。隣り合うセットとの正極、負極間では、化学反応が起こらないように、絶縁される。
第1の電解質タンク31の中に蓄えられた電解質溶液は、ポンプ41によって酸電池(発電システム)30内に流れ込む。また、酸電池(発電システム)30内の電解質溶液は、ポンプ42によって吸い上げられて第1の電解質タンク31に戻る。これにより電解質の循環が実現する。循環することによって、電解質、反応生成物、溶存酸素は、酸電池(発電システム)30内の正極と負極間の空間を淀みなく流れて、効率のよい発電を継続させることができる。
また、酸素曝気装置33は、大気中の空気又は酸素を第一の電解質タンクに送り込んで、当該電解質溶液を空気又は酸素に曝(さら)す。これにより、電解質溶液内の溶存酸素が低下するのを防ぐ。
発電を停止したいときには、ポンプ41を停止して酸電池(発電システム)30への電解質溶液の供給を停止するとともに、ポンプ42により電解質溶液をすべて吸い上げて回収する。これにより、電解質が負極に接触しなくなるので、発電が停止する。
FIG. 4 is a diagram showing a system that circulates an electrolyte and controls the start, stop, and restart of power generation. In the configuration shown in FIG. 4A, the acid battery (power generation system) 30 has five sets of combinations of a positive electrode, a separator sheet, and a negative electrode. Insulation is performed between the positive electrode and the negative electrode of the adjacent set so that a chemical reaction does not occur.
The electrolyte solution stored in the first electrolyte tank 31 flows into the acid battery (power generation system) 30 by the pump 41. Further, the electrolyte solution in the acid battery (power generation system) 30 is sucked up by the pump 42 and returned to the first electrolyte tank 31. As a result, the circulation of the electrolyte is realized. By circulating, the electrolyte, the reaction product, and the dissolved oxygen can flow through the space between the positive electrode and the negative electrode in the acid battery (power generation system) 30 without stagnation, and efficient power generation can be continued.
Further, the oxygen aeration device 33 sends air or oxygen in the atmosphere to the first electrolyte tank to expose (expose) the electrolyte solution to air or oxygen. This prevents the dissolved oxygen in the electrolyte solution from dropping.
When it is desired to stop the power generation, the pump 41 is stopped to stop the supply of the electrolyte solution to the acid battery (power generation system) 30, and the pump 42 sucks up and recovers all the electrolyte solution. As a result, the electrolyte does not come into contact with the negative electrode, so that power generation is stopped.

図4(a)の構成で、さらに早く発電を停止する方法としては、酸電池(発電システム)30の底に栓(不図示)を設けて、その栓を開くとともに、上部に設けたガス抜き栓(不図示)を開くことで、一度に抜いてしまうこともできる。 In the configuration of FIG. 4A, as a method of stopping power generation even faster, a plug (not shown) is provided at the bottom of the acid battery (power generation system) 30, the plug is opened, and the gas vent provided at the top is provided. By opening the stopper (not shown), it can be pulled out all at once.

図4(b)の構成は、発電プラントと呼べるほどの大きな設備の場合に比較的適したシステムである。図4(b)では、図4(a)の構成に加えて、第2の電解質タンク32、ポンプ43,44、窒素曝気装置34を備えている。第2の電解質タンク32内の電解質溶液は、窒素曝気装置34の働きにより、たえず窒素にさらされており、溶存酸素がゼロに近い状態に保たれる。第2の電解質タンク32の上部には、ガス抜き栓(不図示)が設けられており、溶液中から窒素により追い出された酸素、過剰に送り込まれた窒素が外に出ることができるように構成されている。
発電している際には、図4(a)と同様に、ポンプ41、42が働いて、溶存酸素が豊富な電解質溶液が第1の電解質タンクと酸電池(発電システム)30との間を循環する。発電を停止する際には、ポンプ41,42を停止し、ポンプ43,44とを働かせて、第2の電解質タンク内の電解質溶液を酸電池(発電システム)30内の電解質との間で循環させる。そして、それとともに窒素曝気措置34を稼動させる。これにより、酸電池(発電システム)30内の電解質溶液の溶存酸素は、徐々にゼロに近づき、やがて発電が停止する。
The configuration of FIG. 4B is a system that is relatively suitable for a large facility that can be called a power plant. In FIG. 4B, in addition to the configuration of FIG. 4A, a second electrolyte tank 32, pumps 43, 44, and a nitrogen aeration device 34 are provided. The electrolyte solution in the second electrolyte tank 32 is constantly exposed to nitrogen by the action of the nitrogen aeration device 34, and the dissolved oxygen is kept in a state close to zero. A degassing plug (not shown) is provided in the upper part of the second electrolyte tank 32 so that oxygen expelled from the solution by nitrogen and excessively sent nitrogen can be discharged to the outside. Has been done.
During power generation, the pumps 41 and 42 work as in FIG. 4A, and the dissolved oxygen-rich electrolyte solution moves between the first electrolyte tank and the acid battery (power generation system) 30. Circulate. When the power generation is stopped, the pumps 41 and 42 are stopped and the pumps 43 and 44 are operated to circulate the electrolyte solution in the second electrolyte tank with the electrolyte in the acid battery (power generation system) 30. Let me. Then, the nitrogen aeration measure 34 is put into operation at the same time. As a result, the dissolved oxygen in the electrolyte solution in the acid battery (power generation system) 30 gradually approaches zero, and power generation is eventually stopped.

そのほかの方法としては、電解質溶液を回収して、水を送り込むことで、発電を停止するやりかたも考えられる。 As another method, it is possible to stop the power generation by recovering the electrolyte solution and sending water.

≪ジェル状の電解質及び発電停止、発電再開≫
図5は、ジェルシートを用いて電解質を供給する場合に遮断シートを用いて、発電の開始、停止、再開を制御することを示す図である。
図5(a)においては、負極14、セパレータシート12、シート状空気電極11、遮断シート25、電解質ジェルシート20と順に積層した例を示す。電解質ジェルシート20は、ジェルを含むのに適した基材、たとえば不織布に電解質、ここでは塩化第二鉄をジェル状にしたものを含ませてなるシートである。遮断シート25は、電解質を透過しないシートである。
図5(a)のように、遮断シート25が配置されている状態では、電解質ジェルシート20に含まれる電解質は、遮断シート25を透過しないので、負極14に到達しない。したがって、負極活物質の腐食(燃焼、酸化)は起こらないので、発電は開始しない。
遮断シート25を取り除く(引き抜く、引き剥がす)こと、そして、電解質ジェルシート20の電解質がシート状空気電極11、セパレータシート12を介して、負極14に到達できるようにすることで、発電を開始する。電解質は、シート状空気電極11、セパレータシート12のいずれをも透過するからである。このとき、電解質ジェルシート20と負極14との距離が近づくように、押し付ける力を加えてもよい。
発電を停止するときには、遮断シート25を電解質ジェルシート20と負極14との間のいずれかの位置に配置する。それにより、電解質が負極に供給されなくなって、負極活物質の腐食(燃焼、酸化)が停止する。
≪Gel-like electrolyte and power generation stop, power generation restart≫
FIG. 5 is a diagram showing that when an electrolyte is supplied using a gel sheet, a blocking sheet is used to control the start, stop, and restart of power generation.
FIG. 5A shows an example in which the negative electrode 14, the separator sheet 12, the sheet-shaped air electrode 11, the blocking sheet 25, and the electrolyte gel sheet 20 are laminated in this order. The electrolyte gel sheet 20 is a sheet obtained by impregnating a base material suitable for containing a gel, for example, a non-woven fabric containing an electrolyte, here, a gel of ferric chloride. The blocking sheet 25 is a sheet that does not allow the electrolyte to permeate.
As shown in FIG. 5A, in the state where the blocking sheet 25 is arranged, the electrolyte contained in the electrolyte gel sheet 20 does not permeate the blocking sheet 25, so that it does not reach the negative electrode 14. Therefore, since the negative electrode active material does not corrode (combustion, oxidation), power generation does not start.
Power generation is started by removing (pulling out, peeling off) the blocking sheet 25 and allowing the electrolyte of the electrolyte gel sheet 20 to reach the negative electrode 14 via the sheet-shaped air electrode 11 and the separator sheet 12. .. This is because the electrolyte permeates both the sheet-shaped air electrode 11 and the separator sheet 12. At this time, a pressing force may be applied so that the distance between the electrolyte gel sheet 20 and the negative electrode 14 is reduced.
When the power generation is stopped, the blocking sheet 25 is arranged at any position between the electrolyte gel sheet 20 and the negative electrode 14. As a result, the electrolyte is no longer supplied to the negative electrode, and corrosion (combustion, oxidation) of the negative electrode active material is stopped.

図5(b)は、負極14、セパレータシート12、遮断シート25、電解質ジェルシート20、シート状空気電極11の順に配置した例である。電池の性能の見地からは、負極14とシート状空気電極11との間の距離は短いほうが望ましい。したがって、電解質ジェルシート20を薄くすることが望ましいと考えられる。電解質ジェルシート20が含浸する電解質が減るために発電が出来なくなる場合には、電解質ジェルシート20を新しいものに取り替える。または、シート状空気電極11を介して電解質ジェルシート20に電解質を供給する。
発電開始、発電停止、発電再開についての遮断シート25の機能は、図5(a)の場合と同様である。
FIG. 5B shows an example in which the negative electrode 14, the separator sheet 12, the blocking sheet 25, the electrolyte gel sheet 20, and the sheet-shaped air electrode 11 are arranged in this order. From the viewpoint of battery performance, it is desirable that the distance between the negative electrode 14 and the sheet-shaped air electrode 11 is short. Therefore, it is considered desirable to make the electrolyte gel sheet 20 thinner. When power generation becomes impossible due to a decrease in the electrolyte impregnated in the electrolyte gel sheet 20, the electrolyte gel sheet 20 is replaced with a new one. Alternatively, the electrolyte is supplied to the electrolyte gel sheet 20 via the sheet-shaped air electrode 11.
The functions of the cutoff sheet 25 for starting power generation, stopping power generation, and restarting power generation are the same as in the case of FIG. 5A.

図6は、電解質ジェルシートを用いる場合に、ジェルシート自体を抜き差しすることで、発電の開始、停止、再開を制御することを示す図である。
図6(a)においては、負極14、セパレータシート12、シート状空気電極11、電解質ジェルシート20の順に積層配置しており、電解質ジェルシート20の電解質は、この状態では、シート状空気電極11、セパレータシート12を介して負極14に到達する。したがって、発電がなされる。
発電を停止するときには、電解質ジェルシート20を引き抜く、または引き剥がす。
発電を再開するには、再度、電解質ジェルシート20を図6(a)の位置に戻す。
FIG. 6 is a diagram showing that when an electrolyte gel sheet is used, the start, stop, and restart of power generation are controlled by inserting and removing the gel sheet itself.
In FIG. 6A, the negative electrode 14, the separator sheet 12, the sheet-shaped air electrode 11, and the electrolyte gel sheet 20 are laminated in this order, and the electrolyte of the electrolyte gel sheet 20 is the sheet-shaped air electrode 11 in this state. , Reach the negative electrode 14 via the separator sheet 12. Therefore, power is generated.
When stopping the power generation, the electrolyte gel sheet 20 is pulled out or peeled off.
To resume power generation, the electrolyte gel sheet 20 is returned to the position shown in FIG. 6A again.

図6(b)においては、負極14、セパレータシート12、電解質ジェルシート20、シート状空気電極11の順に積層配置している。
発電停止のために、電解質ジェルシート20を引き抜く、あるいは引き剥がす。このとき、電解質ジェルシート20を単独で引き剥がすかわりに、シート状空気電極11と電解質ジェルシート20とをいっしょに引き剥がしてもよい。
発電を再開するには、図6(b)の配置に戻す。
In FIG. 6B, the negative electrode 14, the separator sheet 12, the electrolyte gel sheet 20, and the sheet-shaped air electrode 11 are laminated in this order.
The electrolyte gel sheet 20 is pulled out or peeled off to stop power generation. At this time, instead of peeling off the electrolyte gel sheet 20 alone, the sheet-shaped air electrode 11 and the electrolyte gel sheet 20 may be peeled off together.
To resume power generation, return to the layout shown in FIG. 6 (b).

≪積層によるスケーラビリティ≫
図4に示したように、負極14、セパレータシート12、シート状空気電極11からなる組み合わせのセットを、複数組積層することが可能である。このとき、電気的に直列接続するようにすれば、電圧を高めることができる。並列接続すれば電流を高めることができる。
≪Scalability by stacking≫
As shown in FIG. 4, a plurality of sets of combinations including the negative electrode 14, the separator sheet 12, and the sheet-shaped air electrode 11 can be laminated. At this time, the voltage can be increased by electrically connecting in series. The current can be increased by connecting in parallel.

≪酸性電解質溶液を滴下又は噴霧することによる計画発電≫
図7は、酸性電解質を正極側から滴下又は噴霧する場合の構成を示す図である。
図7(a)は、負極14、セパレータ12、シート状空気電極11がこの順番で水平に積層配置されたものに対して、上から、すなわちシート状空気電極11の側から電解質溶液滴下装置50により、滴下する様子を示す。電解質溶液の滴下は、一定量の滴下を続けることができる。あるいは間欠的に所定時間、所定量の滴下をした後に、所定時間停止し、また再開するやりかたでもよい。この滴下により、電力の需要に見合う分だけの必要かつ十分な電解質溶液の供給が可能となる。
本発明に係る酸電池では、酸性電解質が、酸として機能して負極活物質を酸化させるので、供給した電解質溶液が尽きれば、発電は停止する。したがって、必要以上に電解質を供給せず、無駄な発電をしないですむというメリットがある。
≪Planned power generation by dropping or spraying acidic electrolyte solution≫
FIG. 7 is a diagram showing a configuration when the acidic electrolyte is dropped or sprayed from the positive electrode side.
FIG. 7A shows the electrolyte solution dropping device 50 from above, that is, from the side of the sheet-shaped air electrode 11 with respect to the one in which the negative electrode 14, the separator 12, and the sheet-shaped air electrode 11 are arranged horizontally in this order. The state of dropping is shown by. The dropping of the electrolyte solution can be continued by dropping a fixed amount. Alternatively, it may be a method of intermittently dropping a predetermined amount for a predetermined time, then stopping and restarting for a predetermined time. This dropping makes it possible to supply a necessary and sufficient electrolyte solution that meets the demand for electric power.
In the acid battery according to the present invention, the acidic electrolyte functions as an acid to oxidize the negative electrode active material, so that the power generation is stopped when the supplied electrolyte solution is exhausted. Therefore, there is an advantage that the electrolyte is not supplied more than necessary and wasteful power generation is not required.

この電解質供給を計画的に制御するために制御装置60を設ける。一日のうちの電力需要、一週間のうちの電力需要、一年のうちの電力需要などのピークがいつであるかを過去の統計データから割り出して計画的に発電する。 A control device 60 is provided to systematically control the electrolyte supply. The peak time of the daily power demand, the weekly power demand, the yearly power demand, etc. is calculated from the past statistical data and the power is systematically generated.

図7(b)は、電解質用益滴下装置50の代わりに電解質溶液噴霧装置55を設けた例である。滴下と噴霧とはほぼ同様の効果がある。噴霧の場合には、電解質とともに酸素(正極活物質)を同時に供給できるメリットがある。
また、噴霧の場合には、図7(c)に示すように、負極14、セパレータ12、シート状空気電極11が、直立している場合にも利用可能である。
FIG. 7B shows an example in which the electrolyte solution spraying device 55 is provided instead of the electrolyte usufruct dropping device 50. Dropping and spraying have almost the same effect. In the case of spraying, there is an advantage that oxygen (positive electrode active material) can be supplied at the same time as the electrolyte.
Further, in the case of spraying, as shown in FIG. 7C, the negative electrode 14, the separator 12, and the sheet-shaped air electrode 11 can also be used when they are upright.

本発明に係る酸電池(発電システム)にあっては、負極活物質(たとえば、マグネシウム)、電解質(たとえば、塩化第二鉄)、正極活物質(酸素)の3つのうちのいずれかを制御することで、発電の開始、停止、再開のコントロールが可能である。したがって、制御装置による計画発電に適したシステム、プラントなどの設備を構築するのに適している。 In the acid battery (power generation system) according to the present invention, any one of the negative electrode active material (for example, magnesium), the electrolyte (for example, ferric chloride), and the positive electrode active material (oxygen) is controlled. This makes it possible to control the start, stop, and restart of power generation. Therefore, it is suitable for constructing equipment such as a system and a plant suitable for planned power generation by a control device.

本発明の空気電極、酸電池、発電システムは、発電所における補助発電システム、製造設備、病院、船舶、など、さまざまな場所での非常用電源、または常用の電源として利用することができる。 The air electrode, acid battery, and power generation system of the present invention can be used as an emergency power source or a regular power source in various places such as an auxiliary power generation system in a power plant, manufacturing equipment, a hospital, and a ship.

11 シート状空気電極
12 セパレータシート
14 負極
15 パイプ
20 電解質ジェルシート
25 遮断シート
30 酸電池(発電システム)
31 第1の電解質タンク
32 第2の電解質タンク
33 酸素曝気装置
34 窒素曝気装置
41,42,43,44 ポンプ
50 電解質溶液滴下装置
55 電解質溶液噴霧装置
60 制御装置
11 Sheet-shaped air electrode 12 Separator sheet 14 Negative electrode 15 Pipe 20 Electrolyte gel sheet 25 Blocking sheet 30 Acid battery (power generation system)
31 First electrolyte tank 32 Second electrolyte tank 33 Oxygen aeration device 34 Nitrogen aeration device 41, 42, 43, 44 Pump 50 Electrolyte solution dropping device 55 Electrolyte solution spraying device 60 Control device

Claims (16)

カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅を含む金属を負極とし、
前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配される酸電池であって、
前記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられ、
前記ジェルシートは、電解質が透過せず抜き差し可能な遮断シートを介して前記負極と接触し、遮断シートを抜いた状態で発電し、遮断シートを差した状態で発電停止することを特徴とする酸電池。
A sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface is used as a positive electrode.
A metal containing magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is used as the negative electrode.
An acid battery in which an acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode.
The acidic electrolyte is in the form of a gel and is provided as a gel sheet impregnated in the sheet.
The gel sheet comes into contact with the negative electrode via a blocking sheet that does not allow electrolytes to permeate and can be inserted and removed, generates electricity with the blocking sheet removed, and stops power generation with the blocking sheet inserted. battery.
前記シート状空気電極の配置する場所の空間形状に合わせて、前記炭素繊維シートの面積、寸法、形状を変更可能であることを特徴とする請求項記載の酸電池。 Wherein in accordance with the space shape of the place to put the sheet-like air electrode, the area of the carbon fiber sheet, the dimensions, acid battery according to claim 1, wherein the shape is capable of changing. 前記負極は、交換可能に配置され、当該負極が溶滅した際に、新たな負極と交換することを特徴とする請求項または請求項に記載の酸電池。 The acid battery according to claim 1 or 2 , wherein the negative electrode is arranged so as to be replaceable, and when the negative electrode is dissolved, the negative electrode is replaced with a new negative electrode. カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅を含む金属を負極とし、
前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配される酸電池であって、
前記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられ、
前記ジェルシートは、抜き差し可能であり、当該ジェルシートを抜くことにより前記電解質と前記負極との接触を断ち、差すことにより前記電解質と前記負極との接触を実現することを特徴とする酸電池。
A sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface is used as a positive electrode.
A metal containing magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is used as the negative electrode.
An acid battery in which an acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode.
The acidic electrolyte is in the form of a gel and is provided as a gel sheet impregnated in the sheet.
The gel sheet is removable, and the acid battery is characterized in that the contact between the electrolyte and the negative electrode is cut off by removing the gel sheet, and the contact between the electrolyte and the negative electrode is realized by inserting the gel sheet.
前記シート状空気電極の配置する場所の空間形状に合わせて、前記炭素繊維シートの面積、寸法、形状を変更可能であることを特徴とする請求項記載の酸電池。 The acid battery according to claim 4 , wherein the area, size, and shape of the carbon fiber sheet can be changed according to the spatial shape of the place where the sheet-shaped air electrode is arranged. 前記負極は、交換可能に配置され、当該負極が溶滅した際に、新たな負極と交換することを特徴とする請求項または請求項に記載の酸電池。 The acid battery according to claim 4 or 5 , wherein the negative electrode is arranged so as to be replaceable, and when the negative electrode is dissolved, the negative electrode is replaced with a new negative electrode. カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属を負極とし、
前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配されてなる酸電池を複数積層配置し、電気接続してなる発電システムであって
記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられ、
前記ジェルシートは、電解質が透過せず抜き差し可能な遮断シートを介して前記負極と接触し、遮断シートを抜いた状態で発電し、遮断シートを差した状態で発電停止することを特徴とする発電システム。
A sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface is used as a positive electrode.
A metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is used as the negative electrode.
A power generation system in which a plurality of acid batteries in which an acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode are arranged and electrically connected .
Before SL acid electrolyte is a gel-like, provided as gel sheet impregnated into a sheet,
The gel sheet comes into contact with the negative electrode via a blocking sheet that does not allow electrolytes to permeate and can be inserted and removed, generates electricity with the blocking sheet removed, and stops power generation with the blocking sheet inserted. system.
前記正極を構成する前記炭素繊維シートは、配置する場所の空間形状に合わせて面積、寸法、形状を変更可能であり、
前記負極を前記正極の面積、寸法、形状の変更に合わせて変形することを特徴とする請求項記載の発電システム。
The area, size, and shape of the carbon fiber sheet constituting the positive electrode can be changed according to the spatial shape of the place where the positive electrode is arranged.
The power generation system according to claim 7, wherein the negative electrode is deformed according to a change in the area, dimensions, and shape of the positive electrode.
カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属を負極とし、
前記正極と前記負極との間に酸性電解質が配されてなる酸電池を複数積層配置し、電気接続してなる発電システムであって
記酸性電解質は、ジェル状であり、シートに含浸させたジェルシートとして設けられ、
前記ジェルシートは、抜き差し可能であり、当該ジェルシートを抜くことにより前記電解質と前記負極との接触を断ち、差すことにより前記電解質と前記負極との接触を実現することを特徴とする発電システム。
A sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface is used as a positive electrode.
A metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is used as the negative electrode.
A power generation system in which a plurality of acid batteries in which an acidic electrolyte is arranged between the positive electrode and the negative electrode are arranged and electrically connected .
Before SL acid electrolyte is a gel-like, provided as gel sheet impregnated into a sheet,
The gel sheet is removable, and the power generation system is characterized in that the contact between the electrolyte and the negative electrode is cut off by pulling out the gel sheet, and the contact between the electrolyte and the negative electrode is realized by inserting the gel sheet.
前記正極を構成する前記炭素繊維シートは、配置する場所の空間形状に合わせて面積、寸法、形状を変更可能であり、
前記負極を前記正極の面積、寸法、形状の変更に合わせて変形することを特徴とする請求項記載の発電システム。
The area, size, and shape of the carbon fiber sheet constituting the positive electrode can be changed according to the spatial shape of the place where the positive electrode is arranged.
The power generation system according to claim 9, wherein the negative electrode is deformed according to a change in the area, size, and shape of the positive electrode.
前記負極と前記酸性電解質との接触を断つ、又は前記正極と酸素との接触を断つ反応停止状態を実現する反応停止装置を有することを特徴とする請求項から請求項10までのいずれか1項に記載の発電システム。 Any one of claims 7 to 10, wherein the reaction stop device realizes a reaction stop state in which the contact between the negative electrode and the acidic electrolyte is cut off, or the contact between the positive electrode and oxygen is cut off. The power generation system described in the section. 前記反応停止装置は、前記反応停止状態を解除して、再び発電を開始可能であることを特徴とする請求項11に記載の発電システム。 The power generation system according to claim 11 , wherein the reaction stop device can release the reaction stop state and start power generation again. カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極を正極とし、
マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄または銅のうちの一つ又は二つ以上を含む金属を、溶滅の際には新しい物と交換可能に設けて、負極とし、
前記正極と前記負極との間に、電気絶縁性を有し、電解質を透過するセパレータを設け、
前記正極、前記セパレータ、前記負極を積層配置した積層物に対して、前記正極の側から、発電に必要な量の酸性電解質を滴下又は噴霧して負極に到達させる酸性電解質供給装置と
を有する発電システム。
A sheet-like air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface is used as a positive electrode.
A metal containing one or more of magnesium, aluminum, zinc, iron or copper is provided interchangeably with a new one at the time of dissolution to serve as a negative electrode.
A separator having electrical insulation and transmitting an electrolyte is provided between the positive electrode and the negative electrode.
Power generation having an acidic electrolyte supply device that drops or sprays an amount of acidic electrolyte required for power generation from the positive electrode side to reach the negative electrode on a laminate in which the positive electrode, the separator, and the negative electrode are laminated. system.
前記酸性電解質供給装置による酸性電解質の供給量を制御する酸性電解質供給制御装置をさらに有し、計画発電を実現することを特徴とする請求項13に記載の発電システム。 The power generation system according to claim 13 , further comprising an acidic electrolyte supply control device for controlling the supply amount of the acidic electrolyte by the acidic electrolyte supply device, and realizing planned power generation. カーボンナノチューブを含有する膜状物をその表面に有する炭素繊維シートからなるシート状空気電極の製造方法であって、
カーボンナノチューブと、カルボキシメチルセルロースアンモニウムと炭酸水素アンモニウムとグリセリンとを水に溶解させて原材料水溶液とする原材料水溶液生成ステップと、
前記原材料水溶液に超音波ホモジナイザーにより超音波を照射して分散水溶液を得る超音波照射ステップと、
炭素繊維シートを前記超音波照射ステップで得られた前記分散水溶液に含浸させる含浸ステップと、
含浸後の炭素繊維シートを乾燥させる乾燥ステップと
を有するシート状空気電極の製造方法。
A method for manufacturing a sheet-shaped air electrode made of a carbon fiber sheet having a film-like substance containing carbon nanotubes on its surface.
A step of producing an aqueous solution of raw materials by dissolving carbon nanotubes, ammonium carboxymethyl cellulose, ammonium hydrogencarbonate, and glycerin in water to obtain an aqueous solution of raw materials.
An ultrasonic irradiation step of irradiating the raw material aqueous solution with ultrasonic waves with an ultrasonic homogenizer to obtain a dispersed aqueous solution, and
An impregnation step of impregnating the dispersed aqueous solution obtained in the ultrasonic irradiation step with a carbon fiber sheet, and an impregnation step.
A method for producing a sheet-like air electrode, which comprises a drying step of drying the impregnated carbon fiber sheet.
前記含浸ステップと前記乾燥ステップとを繰り返し行うことを特徴とする請求項15に記載のシート状空気電極の製造方法。 The method for manufacturing a sheet-shaped air electrode according to claim 15 , wherein the impregnation step and the drying step are repeated.
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